Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Hochgenaue Winkel-Justage beim deflektometrischen Rastern

31.12.2006

An der PTB wurde eine auf Deflektometrie basierende Messanlage entwickelt, welche die hochgenaue Bestimmung der Topographie von bis 500 mm großen planen und schwach gekrümmten optischen Flächen mit Messunsicherheiten von unter einem Nanometer ermöglicht [1, 2]. Hierfür wurden auch neue Verfahren zur automatisierten und genauen Pentaprismen-Justage entwickelt [3, 4].

Das sogenannte Extended Shear Angle Difference-Verfahren (ESAD) basiert auf der Messung von Differenzen von Reflexionswinkeln zwischen Messorten auf der Prüf-lingsoberfläche, welche durch einen konstanten Versatz (Shear) von einigen Millime-tern bis Zentimetern getrennt sind. ESAD kombiniert damit die Deflektometrie mit Shearing-Techniken, um so eine maximale Fehlerreduktion sowie eine optimale Rück-führbarkeit der Messgrößen Winkel und Länge zu erzielen. Im Gegensatz zu gängigen Verfahren der Formmessung ist ESAD nicht auf einen externen Ebenheitsstandard angewiesen, da die geradlinige Ausbreitung des Lichts als natürliche Referenz genutzt wird.


Mechanik zur Pentaprismen-Halterung und hochgenauen Justage in der ESAD-Anlage der PTB. Das Winkelmessgerät (Autokollimator) befindet sich rechts ausserhalb des Bildfeldes. Die reflektierende Prüflingsoberfläche ist unten sichtbar. Der vertikale Tubus schirmt den Messstrahl vor den Einflüssen residueller Luftbewegungen ab.

In der ESAD-Anlage kommt ein Pentaprisma aus hochgradig homogenem Glas zum Einsatz, welches den Messstrahl des Winkelmessgeräts (Autokollimator) um 90 Grad auf die Prüflingsoberfläche ablenkt (siehe Abbildung). Die Winkeldifferenzen werden sequentiell durch eine laterale Verschiebung des Prismas erfasst, wodurch die flexible Realisierung verschiedener Shearwerte möglich ist. Nach erfolgter Winkeldifferenzmessung wird der Prüfling bewegt und die Sequenz am nächsten Ort wiederholt, bis der gesamte Prüfling gescannt ist [1-3].

Der Ablenkwinkel des Pentaprismas ist dabei robust gegenüber Fehlern in dessen Winkelorientierung, welche durch die laterale Verschiebung des Prismas entstehen. Diese werden nur als Fehlereinflüsse höherer Ordnung wirksam. Um Messunsicher-heiten von unter einem Nanometer zu erzielen, ist eine akkurate Grundjustage des Prismas notwendig. Ein neu entwickeltes Verfahren erlaubt eine schnelle und hochge-naue In-Situ-Justage aller relevanten Winkel der optischen Komponenten (Pentapris-ma und Prüfling) relativ zu den Messachsen des Autokollimators. Diese erfolgt auto-matisiert vor jedem Messzyklus mit einer Genauigkeit von unter einer Winkelsekunde [4]. Damit kann diese Fehlerkomponente des Prismenablenkwinkels auf unter 0.001 Winkelsekunden reduziert werden.


Literatur:

[1] Ralf D. Geckeler, Error minimization in high-accuracy scanning deflectometry, Proc. SPIE 6293, 62930O (2006)

[2] Ralf D. Geckeler, Shearing deflectometry as a flatness standard: Comparison with a Mercury mirror and absolute interferometry, Proc. 6th EUSPEN Conf., ed. H. Zervos, Vol. 1, p. 390-393 (2006)

[3] Ralf D. Geckeler, ESAD shearing deflectometry: Potentials for synchrotron beamline metrology, Proc. SPIE 6317, 63171H (2006)

[4] Ralf D. Geckeler, Optimal use of pentaprisms in highly accurate deflectometric scanning, Measurement Science & Technology (2006), submitted